Summary
槽寸法の性能への影響をテストする難燃性ガラス繊維強化エポキシ樹脂 (FR 4) 銅張積層板 (CCL) の対称平面電極を用いた伝導マイクロ ポンプの作製のためのプロトコルを提案する、伝導マイクロ。
Abstract
ここでは、難燃性ガラス繊維強化エポキシ樹脂 (FR 4) 銅張積層板 (CCL) 上に作製した対称平面電極対を持つ伝導マイクロ ポンプを作製しました。槽寸法の伝導マイクロ ポンプの性能に及ぼす影響を調査するため、作動流体としてアセトンを使用する場合、伝導ポンプの信頼性を判断するために使用されます。異なる条件下で伝導マイクロ ポンプの性能を評価するテストのプラットフォームを設定します。商工会議所の高さが 0.2 mm と、ポンプの圧力のピーク値に達する。
Introduction
マイクロ ポンプは、ほとんどのポンプよりもはるかに小さい規模で液体の流れをドライブできます。近年では、様々 な駆動方式はマイクロ流体システム1,2,3,4,5に正常に適用されます。電気流体力学的 (EHD) ポンプは、シンプルで簡単に6を組み立てそれをなる液体、すべての可動部品なしに直接力を発揮できます。料金の種類に応じて EHD ポンプは、噴射ポンプ、誘導ポンプまたは伝導ポンプに分類できます。噴射ポンプは、液体の導電率を変更しながら、等温液体誘導ポンプには働かない。このような問題がない、ため伝導ポンプより安定、広いアプリケーションがあります。
伝導ポンプは、液体分子の解離と再結合速度の不一致に基づいています。通常、解離と結合のプロセスは、7、8を次のように表現できます。
組み換え率krは定数解離率kdは電界強度の関数。電界強度一定の値に達すると、分解速度は再結合速度を超えます。その後より多くの自由料金反対の極性と heterocharge 層のフォームの 2 つの電極への旅行します。これらの heterocharge 層は、電荷の運動をすすめる液体分子ポンプへの鍵です。したがって、非対称電極または正と負のイオン9,10、11,12 の移動性の不一致を使用してチャンバ内液体で純体力を生成できます。.
この作品は、伝導ポンプの対称平面電極板を製造する新しい方法を紹介します。FR 4 CCL に電極板を用意し、ポンプ室は、マイクロマシニングによって準備されます。製造プロセスはナノリソグラフィなど他の製法に比べて比較的簡単な。異なる条件下で伝導マイクロ ポンプの性能を調査するためのテスト ・ プラットフォームを設定します。さらに、異なる状況下で伝導マイクロ ポンプの信頼性の調査も。
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Protocol
警告: 使用前に関連するすべての材料安全データ用紙 (MSDS) を参照してください。アセトンは引火性の高い、目や気道に炎症を引き起こすことができます。関与の電圧は数千ボルト;したがって、電気火花は、実験を行うときに期待されています。爆発を避けるために、火花から火風通しのよい部屋で実験を行う
。1。 板・ ホルダー加工
注: この作品は、工場の生産ラインにより電極板とホルダーを作製します。。材料だけ本稿のすべてのパーツのパラメーターが複雑なプロセスによりご紹介いたします
。 1.4 mm を使用して- 材料と電極板のサイズ
- 作製電極プレート 35 μ m の銅薄膜と FR 4 CCL。電極板の詳細なパラメーターの 図 1 を参照してください 。
- 電極のパラメーター
- 工場から電極プレートを注文します。詳細については、 図 2 を参照してください 。
- 電極板の検査
- 電極板の準備の後電子顕微鏡を使用して、任意の顕著な欠陥下 100 倍と 300 倍の電極を検査します。 図 3 に示すように、電極の表面に小さな欠陥が、短絡を引き起こすことに注意してください 。
- 検査測定電極幅と寸法精度が、要件を満たしているかどうかを決定する間隔と 。
- 電気短絡が発生するか電流計とプレートをテストします 。
- 商工会議所板の準備
- 図 4 に示すように、いくつかのシリコン膜を電極板と同じサイズにカットします。高さの異なる室板に異なる厚みをもつシリコーン膜を選択します 。
- 図 5 に示すように、チャンバーの穴をパンチする特別なパンチング ツールを使用します 。
- ホルダーの処理
- 工場からホルダーを注文します。詳細なパラメーターを 図 6 に示します 。
- カバー プレートの作製
- ドリル 2 つ穴の掘削を使用してカバー プレートの上には入口と出口の管をインストールするマシンします。自分の位置とサイズの 図 7 を参照してください 。
2。マイクロ ポンプのアセンブリ
- 洗いのすべての板、ホルダー、入口と出口の管、実験で使用される他のツールにアセトンを使用します。ビーカー内これらのツールとプレートを入れて、その後どっぷり浸かるため十分な 99.5% アセトンを注ぐ。超音波洗浄機中ビーカーを置きます。超音波洗浄機をオンにし、タイマーを 5 分に設定
- カバー プレートの 2 つの穴に入口と出口のステンレス鋼チューブを挿入します 。
- シリコン膜電極板上のチャンバ プレートを置き、カバー プレートでカバーします 。
- スタックしカバー プレートを揃え、商工会議所の板と電極板の上から下へと一直線に並べられたプレートをホルダーに挿入します。
- 使用、M5 ボルト ホルダー内部プレートを修正します。それぞれ 図 8 と 図 9 に示すように、爆発ビューおよび組み立てられたマイクロ ポンプの通常のビューを参照してください 。
- ボルトを締め、プレートを一緒に押します
。 注: チューブと商工会議所のプレートにキャビティ作動液の通路となります。弾性チャンバー プレートできますも液体が流出するを防ぐためにプレートの間のギャップを封印します。それぞれ爆発ビューと 図 8 と 図 9 に組み立てられたマイクロ ポンプの通常のビューを参照してください 。
- 4 mm の外径と内径 2 mm の入口と出口のステンレス チューブを接続する 2 つのポリウレタン ホースを使用します 。
- は、電流計、500 V DC 電源とシリーズのマイクロ ポンプを接続します。1 を挿入、電流計と電源、マイクロがショートの場合、電流計を保護するために mA ヒューズ 。
- 中アセトン 20-30 mL を 50 mL のビーカーに取水ホースを挿入します
。 注: 図 10 完成したプラットフォームを示しています 。
3。実験手順
- を 実験前に準備作業 を、マイクロ ポンプを埋めるためにアセトンを注入するシリンダーを使用します。液体のレベルに達すると排水ホース後、すべてのバブルは、商工会議所から押し出されるまで中アセトン 10 mL を注入し続ける
。 注: カバー プレートと電極板が透明ではないのでチャンバー内左任意の気泡を見ることはないです。泡を除去するのに役立ちますアセトンを継続的に注入するが、マイクロ ポンプ内部に気泡が残ってないことは保証できません。泡が液体の通過をブロックまたは回路をショート、電極を書き込むマイクロ ポンプ内部のミクロ爆発の原因しなることがあります。ポンプ操作における気泡の効果ではない、まだ完全クリアが起こす故障が何度も観察されている 。
- は、アセトンの 20-30 mL をビーカーに注ぎ、ビーカー内取水ホースを置きます。アセトンはポンプに流れることができる、マイクロ ポンプ室に空気が吸い込まれるない液体のレベルが少なくとも 5 mm 入口より高いであることを確認します 。
- を 実験前に準備作業 を、マイクロ ポンプを埋めるためにアセトンを注入するシリンダーを使用します。液体のレベルに達すると排水ホース後、すべてのバブルは、商工会議所から押し出されるまで中アセトン 10 mL を注入し続ける
- 静圧テスト
- ホースが直線と垂直に残ることができるので、小さなフレームに排水ホースを接続します。アウトレット ホースと一緒に液体レベルを測るための定規を置く 。
- 、マイクロ ポンプを電源に接続します 。
- スイッチを押してテストを開始し、初期の液体レベルをマークします 。
- 液面が安定になると、記録時間、最終的な液体のレベル、および電流 。
- 液体のレベルと現在のすべての 10 を記録し続けます、マイクロ ポンプが故障するまで s 。
- フロー速度試験
- 排水ホースから出てくる液体を収集するために大型のメスシリンダーを使用します。ビーカー内の液体のレベルと同じ高度のまま終わり、アウトレット ホースを固定してください 。
- 、マイクロ ポンプを電源に接続します 。
- スイッチを押してテストを開始し、初期の液体レベルをマークします 。
- 液体が排水ホースから流れ始めると記録メスシリンダー内のアセトンの量ごとの 10 s。実験が進むにつれて、液体のレベルを維持するためにビーカーにアセトンを追加します 。
- 信頼性試験
- 平均作業時間を使用してポンプの信頼性を評価します。フロー速度試験、静加圧試験中にポンプが故障する前に手術時間を記録します。実験中の各内訳の詳細な現象を記録し、その後の詳細な分析電極板表面を検査します 。
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Representative Results
ポンプの圧力とその増加率の上昇、図 11のように、電圧を増加させるとき。1,100 がポンプの圧力に達すると電圧が 500 V に達したら、ペンシルバニア州
ポンプの静圧力は、ポンプ室の高さが商工会議所の高さが 0.2 mm 未満の増加と します。ポンプ性能チャンバ高さ 0.2 mm は、その最高点に達する。その後、静圧は、商工会議所の高さが増加し続けていると低下します。その 0.2 mm は室内高さの最高値といわれています。結果は図 12のとおりです。
部屋の長さを増加させると、チャンバー長 23 mm までの大きな斜面とその後、徐々 に上昇を示す傾きが小さい静圧が上昇します。ポンプの圧力の変動傾向は図 13に示します。
図 14に示すように、室幅曲線静圧のわずかな減少は、室内幅増加 2 mm から 3 mm に. その後、商工会議所の幅が増加するにつれて一定のまま静圧。
テスト中に、マイクロは 10 90 分作業後よく分解します。一定の時間を経て、ポンプの圧力は、故障が発生するまでドロップする続けています。ただし、新しいアセトンをビーカーに追加するときは、ポンプの圧力のパフォーマンスを復元できます。
ポンプ内部気泡、ポンプの圧力は泡によって作動液の通過が妨げられるので通常はできるだけ高く上昇しません。プレートが十分に掃除されていない場合ほこりや他の汚染がまだことを意味ポンプは簡単に取得短絡これらの粒子は電極間ギャップに旅行。ポンプを取得します短絡電流が急激に上昇して電極の書き込み。
図 1: 電極板のサイズ。電極板、チャンバー プレートとカバー プレートが同じサイズです。その幅が 9 mm と、長さが 40 mm。ワイヤーをはんだ付け用の穴直径の 1.6 mm. 注文にこれらのパラメーターを使用して工場から電極板を持って、ホルダー内に収まることができることを確認してくださいその後に板サイズを確認します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 電極の寸法します。電極板がある 23 対の電極、電極幅 300 μ m、200 μ m の電極間隔、2 電極対で 400 μ m のギャップ幅のと 600 μ m の間隔を終了電極。電界強度が決定されるため、電極間隔は最も重要なパラメーターです。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 短絡から電極の表面の小さな欠陥。ぼろと表面のピットは、電極の典型的な欠陥です。ピット (、) は、深刻な破壊を引き起こしています。(B) 電極の一部を高電界強度下で燃やします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: プレートの寸法をチャンバーします。幅と板の長さは、それぞれ 9 mm および 40 mm。板の厚さは、これらのテストで 0.3 mm です。寸法精度は 0.1 mm ですこの図の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。 。
図 5: 特別な穴パンチの写真。商工会議所板の共振器を切断するため特殊なパンチング ツールがカスタマイズされています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 工学者の図面します。3 mm の上に通し穴は、ステンレス鋼チューブの入口と出口です。すべての壁の厚みは 2 mm とホルダーの全体のサイズは 9 mm3x 37.5 x 14。左側の 2.4 mm の壁は電極板、カバー プレートで、商工会議所のプレートの位置を保持するためです。ホルダーの底部には、締付ボルト M5 ねじ穴があります。ホルダーの寸法精度は 0.1 mm と非常に高いであります。電極板は中合うことができることを確認します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 7: カバー プレートのパラメーターです。カバー プレートの素材は FR4 ではまたです。2 つのステンレス鋼の管は、作動液の入口・出口の通路を提供するために穴に挿入されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 8: マイクロ ポンプの爆発ビュー 。上から下には、締付ボルト、電極板商工会議所プレート カバー プレートの入口と出口の管。チューブと c の空洞先のハンバー プレートは、作動液の液体の通路を形成します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 9: 組み立てのマイクロ ポンプのイメージをレンダリングします。後は、ボルトを締め、すべてのプレートが一緒に押された、商工会議所のプレートの穴を通過する液体のためだけの空間。弾性チャンバー プレートできますも液体が流出するを防ぐためにプレートの間のギャップを封印します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 10: 画像、マイクロ ポンプの実験プラットフォーム。アセトンが含まれているボトルは、ビーカーでの置換をすることができますが、アセトンのあまりにも多くの揮発を防ぐために薄膜を使用したビーカーをカバーする方が安全です。電源、スピーカー、およびポンプを直列に接続します。排水ホースは、ガラス管にも交換できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 11: 電圧とポンプ圧の関係。ポンプの圧力およびその増加率上昇電圧が増加します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 12: チャンバ高さとポンプ性能の関係。ポンプ性能最初増加し滴室高さの増加 0.1 mm から 0.5 mm に.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 13: 空洞長さとポンプ性能の関係。ポンプ性能は、長さが増加上昇します。
図 14: 室幅とポンプ性能の関係。商工会議所の幅が増える、ポンプの圧力は同じです。
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Discussion
プロトコルの中で重要な手順の 1 つは電極板を慎重に検査します。電極の端に小さなバリが、短絡と表面性状がポンプ性能に大きく影響します。電極板ホルダーの清掃も非常に重要です。小さなダスト粒子があります作業の液体の流れをブロックし、短絡を引き起こすので、電極室高さは 1 ミリメートル未満のものです。テストの前に商工会議所にアセトンを注入、チャンバー外の泡を削除できます。
マイクロ ポンプの性能は、商工会議所の高さに非常に影響することができます。そのような影響を除去するために弾性チャンバー プレートは硬い素材で置き換えることができます。
技法をいくつかの制限があります。まず、電極の高さ、FR 4 CCL の金属の層によって決まります。それは比較的高い程度の液体の流れに影響を与えるです。第二に、商工会議所の板としてシリコン膜を使用して、チャンバーのシール性が向上します。しかし、シリコンの弾力性は、いくつかの偏差を起こす室高さ。最後に、電極幅と電極の間隔は、他の手法よりもはるかに難しい高い電界強度を達成するためになる技術自体、によって制限されます。
フォトリソグラフィや他の高精度加工技術と異なり比較的単純で安価なこの電極の作製と FR 4 CCL を使用します。その一方で、この仕事に必要な電圧ははるかに低いです。ピアソン セイエッド ・ Yagoobi13リング電極と 5 を必要とする多孔電極設計提案するために、ポンプの DC 電圧の kV この作業中に電源が 500 V のみ。
このマイクロ ポンプは、熱パイプ、特に毛管力以外の原動力を必要とする長い熱パイプをループに使用できます。ヒートパイプ内の 1 つまたは複数の電極板を挿入する誘電体冷却水が冷たい端から熱い端への旅行の十分な原動力を提供できます。同様の機能は、ソフト、絶縁金属基板材料の作製した環状電極によっても実現できます。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品が主催した中国の国家自然科学基金 (51375176);(2014A030313264); 中国の広東地方の自然科学基金科学と技術 (2014B010126003) 中国広東省のプロジェクトを企画します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Amperemeter | - | 85C1-MA | |
| DC high voltage power supply | NanTong Jianuo electric device company | GY-WY500-1 | |
| Fuse | - | - | |
| Ultrasonic cleaner | Derui ultrasonic device company | - | |
| Soldering iron | - | - |
References
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